LA CHIMIE DES GROUPES

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1 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 LA CHIMIE DES GRUPES PRINCIPAUX - 1 -

2 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Introduction 1.1 But de la manipulation Le but de cette expérience est d étudier la chimie des groupes principaux. Dans notre cas, il s agit du groupe VI (les chalcogènes) et du groupe VII (les halogènes). L expérience sur les chalcogènes consiste à synthétiser le dithionate de potassium (K2S26) et d analyser sa pureté par décomposition thermique. En ce qui concerne les halogènes, l expérience consiste en une série de tests pour mettre en évidence la présence d halogénures (chlore, brome et iode) en solution. Il faut ensuite identifier les halogénures présents dans une solution inconnue et pour finir les identifier dans le produit final d une réaction d un mélange de chlore, de brome et d iode. 1.2 Résumé théorique Les éléments chimiques sont classés en différents groupes, suivant l état d oxydation qu ils adoptent (voir tableau en annexe). L oxygène est un des élément principal des chalcogènes. Il s agit d un élément relativement abondant et formant facilement des liaisons avec d autres éléments, formant ainsi des oxydes. Son état d oxydation est généralement de II. Le second élément de ce groupe étudié dans cette expérience est le soufre. C est élément essentiel à la vie, présent dans de nombreux acides aminés. Il est généralement trouvé sous forme solide de couleur jaune. Les halogènes sont un groupe d éléments chimiques relativement importants capables de former des composés ioniques en se liant à des métaux ou des composés covalents avec des liaisons à des non-métaux. Les halogènes peuvent remplir leur orbitale de valence en ayant besoin de gagner qu un seul électron, ce qui rend ces composés très réactifs. 1.3 Toxicité des produits utilisés Produits AgN3 NH3 HN3 H2S4 KMn4 CCl4 NaCl Br2 ICl Mn2 K2S25 K2S26 Dangers Corrosif Corrosif-Toxique Corrosif Corrosif Nocif Toxique - Cancérigène Corrosif Très toxique - Cancérigène Toxique Nocif Nocif Corrosif - 2 -

3 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Partie expérimentale 2.1 Synthèse du dithionate de potassium : K2S Méthodologie Une solution de dioxide de manganèse est préparée et refroidie à une température de 5 C. Une solution de pyrosulfite de potassium y sera ajoutée progressivement avec des temps d attente entre chaque ajout de plus en plus long. Une heure après le dernier ajout, le précipité obtenu (K2S3. MnS3) est filtré et le filtrat est condensé par évaporation d une partie de l eau. Le filtrat est alors refroidi sur la glace, permettant ainsi d obtenir le produit final (K2S26) qui sera filtré et séché. Il s agit d une réaction de formation de type redox : Mn 2 + 2e + 4H + Mn H 2 S H 2 S e + 2H + Mn 2 + 2H + + S Mn 2+ + S H 2 Le manganèse est réduit, passant d un degré d oxydation (D) de V à I et le soufre est oxydé passant d un D V à. Le produit est ensuite analysé par décomposition thermique. Une quantité connue de produit est placée dans un creuset, celui-ci est chauffé sur becbunsen. La masse finale est à nouveau pesée, permettant de déterminer la masse perdue de produit, correspondant au dégagement de S2. Cette analyse est répétée trois fois. K 2 S 2 6 Δ K 2 S 4 (s) + S 2 (g) Lors de notre expérience, nous n avons pas obtenu beaucoup de produit, nous avons donc recondensé notre filtrat, en chauffant et l avons ensuite placé pour la nuit dans un bac de glace. Nous avons donc pou récupérer une masse de produit plus importante le lendemain. L analyse par décomposition thermique a été effectuée à nouveau pour être certain que ce soit le bon produit (K2S26) qui a été synthétisé. En effet, en condensant le filtrat de manière trop excessive il y a des risques que le produit soit contaminé par du K2S4 avec évaporation du S

4 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Résultats Rendement de la synthèse : En observant l équation de la réaction de K2S26, nous observons un rapport de 1:1 mole. En calculant le nombre de mole de chacun des réactifs, il s avère que Mn2 est le réactif limitant nmn2=nk2s26=.466 mol MK2S26 = g/mol Donc masse théorique de K2S26 = 11.1 g Rendement = mobtenue/mthéorique = 5.214/ = 46.92% Ce rendement correspond au total du produit synthétisé (sur les 2 jours), il faut encore être sûr que le produit obtenu le deuxième jour soit effectivement K2S26 et non K2S24. Décomposition thermique : Calcul de la perte de S2 théorique : L équation montre un rapport de 1 :1 mole de K2S26 et S2. La masse molaire de ces deux composé sont respectivement g/mol et 64.4 g/mol. Donc le pourcentage théorique de S2 dans K2S26 s élève à 64.4/238.3*1= 26.87% Analyse 1 Analyse 2 Analyse 3 Analyse produit du lendemain Masse produit départ [g] Masse produit final [g] Masse S évaporé [g] % S2 évaporé Moyenne du pourcentage de S2 évaporé = 2.32 % Pureté = %expérience/%théorique = 2.32/26.87= % Questions Il pourrait être envisagé comme méthode pour caractériser notre produit, d effectuer un titrage avec un ph-mètre. n titrerait avec une solution acide, car en présence d acide il y a un dégagement de S2. Ce qui permettrait, en établissant la courbe de titrage, de quantifier et d analyser la pureté du produit

5 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 Etats d oxydation possible pour le soufre : I;;V;II;I;;;;I. Les états d oxydation stables sont : I;V;I;I Structures des anions S SH S H S S S SH SH S4 2- sous sa forme protonée donne l acide sulfurique (H2S4), très important dans la chimie industrielle. H S H Il est synthétisé, tout d abord par du soufre élémentaire brûlé afin d obtenir du S2 qui est alors dissous dans du peroxyde d hydrogène. S 2 + H 2 2 H 2 S 4-5 -

6 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Discussion La synthèse du produit à été relativement difficile, la cristallisation ne se faisait pas de manière optimale, il a donc fallu la faire en deux fois, après une recondensation du filtrat. Ce qui amène généralement à une contamination par K2S4. Cela dit d après les tests effectués, cela n as pas été le cas. La synthèse amène donc un assez bon rendement et la pureté du produit n est pas excellente, mais tout de même respectable. La synthèse aurait peut-être été meilleure si elle avait été effectuée sans arrêt dans la glace. Il était noté, remettre de temps en temps dans la glace, or il est bon que la réaction s effectue à 5 C. Le soufre adopte le plus couramment l état d oxydation I, mais dans le réactif de départ (K2S25) il se trouve à l état d oxydation V. Nous voulons l amener à l état d oxydation (pour le K2S26), c est pourquoi il faut limiter l oxydation du soufre et cela est possible en gardant la réaction à froid. 2.2 Réactions sur des solutions connues d ions halogénures X Précipitation des sels d argent NaCl (aq) + AgN3 (aq) précipité blanc (AgCl) KBr (aq) + AgN3 (aq) précipité jaunâtre (AgBr) KI (aq) + AgN3 (aq) précipité jaune (AgI) AgCl (s) + NH3 soluble parce que le complexe [Ag(NH3)2] + est formé. À cette solution a été ajouté du HN3 qui détruit le complexe [Ag(NH3)2] + et les ions d argent peuvent précipiter à nouveau avec les ions chlorures. AgBr (s) + NH3 insoluble AgI (s) + NH3 insoluble, mais le solide devient blanc xydation des halogénures par le permanganate de potassium Cl2 (g) le papier imprégné de réactif de Villers-Fayolles (rose) devient noir Br2 (g) le papier imprégné de fluorescéine (jaune) devient rose I2 (g) le papier imprégné d amidon (transparent) dévient bleu. Pour ce dernier, le papier mis à disposition ne fonctionne pas il faut faire une solution iodurée-amidonnée soi-même. La solution de KI après l ajout de l acide sulfurique devient jaune. La réaction générale de l oxydation par Mn4 - : 1X - (aq) + 2Mn4 - (aq) + 16H3 + (aq) 5X2 (g) + 2Mn 2+ (aq) + 24 H2 (l) - 6 -

7 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Réaction avec l eau de Javel (ions Cl - ) Dans cette partie, il faut faire très attention avec les quantités. Il faut diluer environ 1x la solution mise à disposition d eau de javel et ne prendre que deux ou trois gouttes de cette dernière. En revanche, un bon millilitre de CCl4 est recommandé pour pouvoir bien visualiser le changement de couleur. Lorsqu on ajoute cela à des solutions d AgI et d AgBr, la phase organique change de couleur. Br2 dans CCl4 coloration brune I2 dans CCl4 coloration violette 2.3 Réactions sur uns solution inconnue, solution n 5 Tous les tests ci-dessus ont été répétés avec une solution d ions halogénures inconnus Précipitation des sels d argent En mélangeant la solution inconnue et une solution d AgN3, nous obtenons un précipité jaune. => Présence d iode ou de brome. Après avoir ajouté de l ammoniaque, il reste du précipité, ce qui confirme la présence d iode ou de brome. Le surnageant est isolé et y est ajouté de l acide nitrique en suffisance. Un précipité se forme ce qui met en évidence la présence de chlore dans la solution inconnue xydation des halogénures par le permanganate de potassium Cl2 (g) le papier imprégné de réactif de Villers-Fayolles devient noir Br2 (g) le papier imprégné de fluorescéine ne change pas de couleur. I2 (g) le papier imprégné d amidon dévient bleu-noir. Ces trois tests, confirment et précisent les conclusions déjà obtenues auparavant: la solution inconnue contient de chlore et de l iode Réaction avec l eau de Javel (ions Cl - ) Après avoir ajouté l eau de javel et le tétrachlorure de carbone et avoir très bien mélangé, une coloration violette de la phase organique peut être observée. La solution contient donc de l iode. Cette expérience vient confirmer les analyses faites précédemment. 2.4 Réaction du brome Voici les quatre réactions observées : 1) Br2 (g) + NaBr (s) rien (le solide blanc NaBr reste sur le fond) 2) Br2 (g) + Et4NBr (s) le solide devient rouge et la vapeur de brome diminue Le brome gazeux est donc absorbé par le solide et ce dernier devient rouge. Br2 + Br - Br3 - Br3 - + Et4N + Et4NBr3-7 -

8 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 3) Br2 (g) + NaI (s) le solide devient noir-violet et la vapeur de brome diminue Les ions I - réduisent le brome gazeux en ions Br - et le I2 formé donne la couleur noire-violette Br2 + 2I - 2 Br - + I2 1. 4) Br2 (g) + Et4NI (s) le solide devient rouge-brun et la vapeur de brome diminue Le brome gazeux est absorbé par le solide et ce dernier devient rouge. 2.5 Réaction de l iode Br2 + I - IBr2 - IBr2 - + Et4N + Et4NIBr2 CCl I 4 2 I 2 solution violette I 2 + C 5 N CCl 4 C 5 NI 2 solution jaune EtH C 5 NI 2 C 5 NI + + I rien ne change C 5 NI + + I + AgN 3 C 5 NI + + N 3 + AgI solution claire et précipité jaune de AgI C 5 NI + + N H 3 + KI 2 C 5 NI 2 + K + + N 3 phase organique orange claire phase aqueuse avec le précipité au fond C 5 NI 2 + amidon C 5 N + amidon I 2 solution brune 2. EtH I 2 + 2AgN 3 2AgI + 2N 3 précipité jaune H AgI + KI 2 AgI + K + + I solution orange avec précipité jaune I + amidon amidon I solution devient brune 2.6 Mega-Mix 3 ml de ICl sont ajoutés à 1 g de KBr. Un dégagement de brome se produit. 25 ml de CCl4 sont ajoutés au mélange et l excès de ICl est lavé avec 3 x 25 ml de CCl4. 1. Après réduction avec Zn/H2, la solution auparavant orange devient noire. Dans celle-ci, les halogènes suivant ont été identifiés : Cl -, Br - et I Le produit est chauffé jusqu à ce que les vapeurs cessent de se dégager. Les halogènes suivant ont été identifiés : Cl -, et Br Exercices 3.1 Pour chaque classe de composés, Indiquer tous les éléments correspondants avec les configurations électroniques des différents états d oxydation Voir le tableau en annexe 1-8 -

9 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Donnez une définition de la caténation La caténation est la capacité d un élément à former une longue structure (semblable à une chaîne) par des liaisons covalentes avec un élément semblable. L exemple le plus fréquent sont les chaînes de carbonne en chimie organique. 3.3 Le produit de la réaction entre ICl et KBr ICl+KBr [IClBr] - + K Le produit de décomposition est l iode élémentaire, I2. 2 KBrICl I2 + BrCl + KBr + KCl 3.5 Le modèle ionique explique-t-il le produit formé 3.6 L iode avec du tétrachlorure de carbone n est pas dissocié, il est donc lié de manière covalente. Grâce à cela, nous pouvons observer une coloration violette. Cependant, lorsque de la pyridine est ajoutée, il se sépare du tétrachlorure de carbone et deviens un ion dissous. Cela enlève la coloration violette et donne la couleur jaune-orange. Vu qu il y a des ions dans la solution maintenant, celle-ci peut être conductrice. 3.7 KCl (s) enthalpie solvatation de KCl K + (aq) + Cl - (aq) energie réticulaire enthalpie hydratation Cl - K + (g) + Cl - (g) K + (aq) + Cl - (g) enthalpie hydratation de K + ΔHhyd(K + ) + ΔHhyd(Cl - ) = ΔHsolv (KCl) - ΔHret (KCl) = kj/mol ΔHhyd(K + ) + ΔHhyd(I - ) = kj/mol ΔHhyd(Rb + ) + ΔHhyd(Cl - ) = ΔHhyd(Rb + ) + ΔHhyd(I - ) =(c) (a) + (b) (a) (b) (c) (d) ΔHsolv (RbI) = ΔHhyd(Rb + ) + ΔHhyd(I - ) + ΔHret (RbI) = 22.1 kj/mol 4. Bibliographie [1 ] consulté le 6 avril 211 [2 ] consulté le 6 avril 211 [3 ] consulté le 6 avril 211 [4 ] consulté le 6 avril

10 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril Annexe Classe de composé Alcalins Alcalino-terreux Terreux Eléments Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba B Al Ga In Tl État d oxydation + II + III [Rn] [Rn] Configuration électronique Groupe du carbone C Si Ge Sn Pb V I V V I V V I V V I V V I V 2s 2 2s 2 2p 2 3s 2 3s 2 3p 2 3d 1 3d 1 4s 2 3d 1 4s2 4p 2 4d 1 4d 1 5s 2 5d 1 5s 2 5p 2 4f 14 5d 1 4f 14 5d 1 6s 2 4f1 4 5d1 1 6s 2 6p 2 [Rn] - 1 -

11 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 Groupe de l azote N P As Sb Bi V II I I II V II I I II V II I I II V II I I II V II I I II 2s 1 2s 2 2s 2 2p 1 2s 2 2p 2 2s 2 2p 3 2s 2 2p 4 2s 2 2p 5 3s 1 3s 2 3s 2 3p 1 3s 2 3p 2 3s 2 3p 3 3s 2 3p 4 3s 2 3p 5 3d 1 3d 1 4s 1 3d 1 4s 2 3d 1 4s 2 4p 1 3d 1 4s 2 4p 2 3d 1 4s 2 4p 3 3d 1 4s 2 4p 4 3d 1 4s 2 4p 5 4d 1 4d 1 5s 1 4d 1 5s 2 4d 1 5s 2 5p 1 4d 1 5s 2 5p 2 4d 1 5s 2 5p 3 4d 1 5s 2 5p 4 4d 1 5s 2 5p 5 4f 14 5d 1 4f 14 5d 1 6s 1 4f 14 5d 1 6s 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 1 4f 14 5d 1 6s 2 6p 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 3 4f 14 5d 1 6s 2 6p 4 4f 14 5d 1 6s 2 6p 5 [Rn]

12 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 Chalcogènes Halogènes S Se Te Po F I V II I I I V II I I I V II I I I V II I I I V II I I II II s 1 2s 2 2s 2 2p 1 2s 2 2p 2 2s 2 2p 3 2s 2 2p 4 2s 2 2p 5 3s 1 3s 2 3s 2 3p 1 3s 2 3p 2 3s 2 3p 3 3s 2 3p 4 3s 2 3p 5 3d 1 3d 1 4s 1 3d 1 4s 2 3d 1 4s 2 4p 1 3d 1 4s 2 4p 2 3d 1 4s 2 4p 3 3d 1 4s 2 4p 4 3d 1 4s 2 4p 5 4d 1 4d 1 5s 1 4d 1 5s 2 4d 1 5s 2 5p 1 4d 1 5s 2 5p 2 4d 1 5s 2 5p 3 4d 1 5s 2 5p 4 4d 1 5s 2 5p 5 4f 14 5d 1 4f 14 5d 1 6s 1 4f 14 5d 1 6s 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 1 4f 14 5d 1 6s 2 6p 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 3 4f 14 5d 1 6s 2 6p 4 4f 14 5d 1 6s 2 6p 5 [Rn] 2s 2 2s 2 2p 4 2s 2 2p 4

13 Lenggenhager Nicolas, Fournier Coralie, 8 avril 211 Cl Br I At II II II II II II II II 3s 2 3s 2 3p 4 3s 2 3p 4 3d 1 3d 1 4s 2 3d 1 4s 2 4p 2 3d 1 4s 2 4p 4 4d 1 4d 1 5s 2 4d 1 5s 2 5p 2 4d 1 5s 2 5p 4 4f 14 5d 1 4f 14 5d 1 6s 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 2 4f 14 5d 1 6s 2 6p 4 [Rn]